DE102014221568A1

DE102014221568A1 - Transformer and method for operating a transformer

Info

Publication number: DE102014221568A1
Application number: DE102014221568.4A
Authority: DE
Inventors: Robert Weikert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2016-04-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Transformator (10), insbesondere eines Leistungsschalters (2), mit einer Leiterplatte (24), die eine erste Lage (26) mit einer Windung (50) einer Primärspule (18) und eine zweite Lage (28) mit eine Windung (46) einer Sekundärspule (12) aufweist. Die Erfindung betrifft ferner einen Leistungsschalter (2) mit einem Transformator (10) und ein Verfahren (60) zum Betrieb eines Transformators (10).The invention relates to a transformer (10), in particular a circuit breaker (2), comprising a printed circuit board (24) having a first layer (26) with one turn (50) of a primary coil (18) and a second layer (28) Winding (46) of a secondary coil (12). The invention further relates to a circuit breaker (2) with a transformer (10) and a method (60) for operating a transformer (10).

Description

Die Erfindung betrifft einen Transformator und ein Verfahren zum Betrieb eines Transformators. Der Transformator ist insbesondere Bestandteil eines Leistungsschalters. Die Erfindung betrifft ferner einen Leistungsschalter. The invention relates to a transformer and a method for operating a transformer. The transformer is in particular part of a circuit breaker. The invention further relates to a circuit breaker.

Industrieanlagen weisen üblicherweise eine Anzahl von Sensoren und Aktoren auf, beispielsweise Elektromotoren, mittels derer Prozesse ausgeführt werden, wie beispielsweise die Herstellung eines bestimmten Produkts. Hierbei wird mittels der Aktoren ein Schritt des Prozesses ausgeführt, der mittels der Sensoren überwacht wird. Bei einer Änderung des Prozesses, beispielsweise aufgrund einer Umstellung des Produkts, oder aber aufgrund des Prozessablaufes selbst, ist es erforderlich, die mittels der einzelnen Aktoren ausgeführten Prozessschritte anzupassen. Um diese Flexibilität gewährleisten zu können, und um den Datenaustausch zwischen den Aktoren und den Sensoren zu gewährleisten, sind die Aktoren und Sensoren signaltechnisch gekoppelt, z.B. mittels eines EtherCat-Systems. Industrial plants usually have a number of sensors and actuators, for example electric motors, by means of which processes are carried out, such as the production of a specific product. In this case, a step of the process is carried out by means of the actuators, which is monitored by means of the sensors. When the process is changed, for example because of a change in the product, or because of the process itself, it is necessary to adapt the process steps carried out by means of the individual actuators. In order to be able to ensure this flexibility and to ensure the exchange of data between the actuators and the sensors, the actuators and sensors are signal-coupled, e.g. by means of an EtherCat system.

Die Steuerung des Prozesses ist innerhalb einer Systemsteuerung integriert, die ebenfalls Bestandteil des auf diese Weise gebildeten Netzwerks ist. Die Systemsteuerung ist mittels einer speicherprogrammierbaren Steuerung realisiert, was eine flexible Anpassung der Industrieanlage an unterschiedlichste Prozesse und eine Veränderung derselben ermöglicht. So ist ein Umstellen der Industrieanlage mittels Umprogrammieren der speicherprogrammierbaren Steuerung ohne eine vergleichsweise kostenintensive Umstellung der Hardware möglich. Hierbei wird mit der speicherprogrammierbaren Steuerung üblicherweise Leistungsschalter betätigt, die zur Stromversorgung der einzelnen Aktoren dienen. Mittels der Leistungsschalter werden daher vergleichsweise hohe elektrische Ströme und/oder elektrische Spannungen geschalten. Zur Verhinderung von Lichtbögen bei dem jeweiligen Schaltvorgang weisen die Leistungsschalter üblicherweise Halbleiterschalter, die mittels einer Treibersteuerung angesteuert werden. Um eine korrekte Funktionsweise der mit der Treibersteuerung elektrisch kontaktierten speicherprogrammierbaren Steuerung zu gewährleisten, ist es erforderlich, die Halbleiterschalter galvanisch von der für den Halbleiter benötigten Treibersteuerung zu trennen, die mittels der speicherprogrammierbaren Steuerung mit Steuersignalen beaufschlagt wird. The control of the process is integrated within a system control, which is also part of the network formed in this way. The system control is realized by means of a programmable logic controller, which allows a flexible adaptation of the industrial plant to a wide variety of processes and a change of the same. Thus, a changeover of the industrial plant by reprogramming the programmable logic controller without a comparatively costly conversion of the hardware is possible. In this case, power switches which are used to supply power to the individual actuators are usually actuated with the programmable logic controller. By means of the circuit breaker therefore comparatively high electrical currents and / or electrical voltages are switched. To prevent arcing in the respective switching operation, the power switches usually have semiconductor switches, which are controlled by means of a driver control. In order to ensure the correct functioning of the programmable controller electrically contacted with the driver control, it is necessary to isolate the semiconductor switches galvanically from the driver control required for the semiconductor, which is supplied with control signals by means of the programmable logic controller.

Um auch unter widrigsten Umständen einen Ausfall der speicherprogrammierbaren Steuerung zu vermeiden, ist hierbei beispielsweise gemäß der DIN EN 61010 bei elektrischen Spannungen bis 150 Volt eine Isolationswirkung der galvanischen Trennung bis zu einer Prüfspannung von 2.700 VAC für 1 Minute gefordert. Eine derartige Isolationswirkung wird beispielsweise mittels eines Fotodioden-Arrays realisiert, das meist mit dem Halbleiterschalter vergossen wird. Eine Alternative hierzu ist ein diskret aufgebauter Trenntransformator. Dieser weist üblicherweise eine Primärspule und eine Sekundärspule auf, die mittels eines beispielsweise U- oder E-förmigen ferromagnetischen Kerns magnetisch gekoppelt sind. Hierbei ist auch eine Transformation der Eingangsspannung in eine zu dem Leistungshalbleiter korrespondierende Ausgangsspannung möglich. Das vergleichsweise aufwendige Verfahren zur Wicklung der beiden Spulen auf den Kern sowie der hierfür benötigte Kupferlackdraht bedingen vergleichsweise hohe Kosten zur Herstellung eines derartigen Leistungsschalters. In order to avoid a failure of the programmable controller even under the most adverse circumstances, this example, according to the DIN EN 61010 For electrical voltages up to 150 volts, an isolation effect of the galvanic isolation up to a test voltage of 2,700 VAC is required for 1 minute. Such an insulating effect is realized for example by means of a photodiode array, which is usually potted with the semiconductor switch. An alternative to this is a discretely constructed isolation transformer. This usually has a primary coil and a secondary coil, which are magnetically coupled by means of an example U- or E-shaped ferromagnetic core. In this case, it is also possible to transform the input voltage into an output voltage corresponding to the power semiconductor. The comparatively complicated process for winding the two coils on the core and the copper enamel wire required for this purpose require comparatively high costs for the production of such a circuit breaker.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten Transformator, ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb eines Transformators sowie einen besonders geeigneten Leistungsschalter mit einem Transformator anzugeben, wobei die Herstellungskosten bevorzugt verringert und eine Isolationswirkung zweckmäßigerweise erhöht ist. The invention has for its object to provide a particularly suitable transformer, a particularly suitable method for operating a transformer and a particularly suitable circuit breaker with a transformer, the manufacturing cost is preferably reduced and an insulating effect is advantageously increased.

Hinsichtlich des Transformators wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 7, hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 8 und hinsichtlich des Leistungsschalters durch die Merkmale des Anspruchs 9 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. With regard to the transformer, this object is achieved by the features of claim 1 and 7, in terms of the method by the features of claim 8 and in terms of the circuit breaker by the features of claim 9 according to the invention. Advantageous developments and refinements are the subject of the respective subclaims.

Der Transformator ist zweckmäßigerweise Bestandteil eines Leistungsschalters und weist eine Leiterplatte mit einer ersten Lage und einer zweiten Lage auf. Jede Lage umfasst zweckmäßigerweise ein elektrisch isolierendes Trägermaterial, auf das Leiterbahnen aufgebracht sind. Die Leiterbahnen sind hierbei zweckmäßigerweise aus einer elektrisch leitenden Schicht geätzt, gedruckt oder gefräst. Alternativ sind diese in einer Stanztechnik erstellt. Die elektrisch leitende Schicht ist beispielsweise eine Kupferschicht. Das elektrisch isolierende Trägermaterial ist zweckmäßigerweise ein mit Epoxidharz verstärktes Glasfasergewebe, insbesondere FR4. The transformer is expediently part of a circuit breaker and has a printed circuit board with a first layer and a second layer. Each layer expediently comprises an electrically insulating carrier material, to which conductor tracks are applied. The conductor tracks are expediently etched, printed or milled from an electrically conductive layer. Alternatively, these are created in a stamping technique. The electrically conductive layer is, for example, a copper layer. The electrically insulating carrier material is expediently an epoxy resin-reinforced glass fiber fabric, in particular FR4.

Beispielsweise beträgt die Stärke jeder Lage zwischen 0,2 mm und 0,4 mm. Die erste Lage ist zweckmäßigerweise auf die zweite Lage gestapelt, wobei insbesondere die leitenden Elemente der beiden Lagen mittels des elektrisch isolierenden Trägermaterials zumindest einer der Lagen zueinander galvanisch getrennt sind. Mit anderen Worten sind die elektrisch leitenden Bestandteile der ersten Lage galvanisch von der zweiten Lage getrennt. Insbesondere ist die erste Lage direkt benachbart zur zweiten Lage. Mit anderen Worten ist die erste Lage in direktem mechanischem Kontakt mit der zweiten Lage. Bevorzugt befinden sich zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage keine weiteren Bauteile. For example, the thickness of each layer is between 0.2 mm and 0.4 mm. The first layer is expediently stacked on the second layer, wherein, in particular, the conductive elements of the two layers are electrically isolated from one another by means of the electrically insulating carrier material of at least one of the layers. In other words, the electrically conductive components of the first layer are galvanically isolated from the second layer. In particular, the first layer is directly adjacent to the second layer. In other words, the first location is in direct mechanical contact with the second layer. Preferably, there are no further components between the first layer and the second layer.

Die erste Lage weist eine Windung einer Primärspule des Transformators und die zweite Lage eine Windung einer Sekundärspule auf. Bei Betrieb wird die erste Windung mit einem Wechselstrom beaufschlagt, was zur Erzeugung eines Magnetfelds um die erste Windung der Primärspule führt. Dieses Magnetfeld durchdringt zumindest teilweise die Windung der Sekundärspule, was zu einer induzierten elektrischen Spannung innerhalb der Windung der Sekundärspule führt, und was bei einer etwaig vorhandenen und an der Sekundärspule elektrisch angeschlossenen Last zu einem elektrischen Stromfluß führt. Aufgrund der elektrisch isolierenden Eigenschaften des Trägermaterials der jeweiligen Lage sind die Windung der Primärspule und die Windung der Sekundärspule zueinander galvanisch getrennt und es ist kein weiteres Material vonnöten. Zudem sind die beiden Lagen zueinander bei Erstellung der Leiterplatte fixiert, so dass der Transformator auch bei etwaigen Erschütterungen oder dergleichen betreibbar ist. Zusammenfassend sind die Windung der Primärspule und die Windung der Sekundärspule auf unterschiedlichen Lagen einer Leiterplatte angeordnet, was zu einer vergleichsweise hohen Isolationsspannungsfestigkeit führt. Zweckmäßigerweise sind die jeweiligen Windungen parallel zur Ebene der Leiterplatte. The first layer has one turn of a primary coil of the transformer and the second layer a turn of a secondary coil. In operation, an alternating current is applied to the first winding, resulting in the generation of a magnetic field around the first turn of the primary coil. This magnetic field at least partially penetrates the winding of the secondary coil, which leads to an induced electrical voltage within the winding of the secondary coil, and which leads to an electrical current flow in the case of a load that may be present and is electrically connected to the secondary coil. Due to the electrically insulating properties of the carrier material of the respective layer, the winding of the primary coil and the winding of the secondary coil are electrically isolated from one another and no further material is required. In addition, the two layers are fixed to each other when creating the circuit board, so that the transformer is operable even with any vibrations or the like. In summary, the winding of the primary coil and the winding of the secondary coil are arranged on different layers of a printed circuit board, which leads to a comparatively high insulation voltage strength. Conveniently, the respective turns are parallel to the plane of the circuit board.

Beispielsweise umfasst die Primärspule und/oder die Sekundärspule lediglich die jeweilige Windung. Zweckmäßigerweise ist zumindest eine der Windungen nach Art eines geöffneten Rechtecks oder einer Spirale gebildet. Beispielsweise sind die beiden Windungen bei einer Draufsicht deckungsgleich. Zumindest überdeckt sich vorzugsweise mehr als die Hälfte der mit der jeweiligen Windung umschlossenen Fläche, was zu einem vergleichsweise hohen Wirkungsgrad führt. Beispielsweise bestehen die Primärspule und/oder die Sekundärspule lediglich aus der jeweiligen Windung. Infolgedessen wird die Induktivität der jeweiligen Spule lediglich mittels der Geometrie der jeweiligen Windung bestimmt. Auf diese Weise ist eine vergleichsweise kostengünstige Erstellung der Primär- bzw. Sekundärspule ermöglicht. For example, the primary coil and / or the secondary coil comprises only the respective turn. Conveniently, at least one of the turns is formed in the manner of an open rectangle or a spiral. For example, the two windings are congruent in a plan view. At least more preferably covers more than half of the area enclosed by the respective turn surface, which leads to a relatively high efficiency. For example, the primary coil and / or the secondary coil consist only of the respective turn. As a result, the inductance of each coil is determined only by the geometry of the respective turn. In this way, a relatively inexpensive creation of the primary or secondary coil is possible.

Zweckmäßigerweise ist die Windung der Primärspule und/oder der Sekundärspule mittels einer Leiterbahn der jeweiligen Lage gebildet. Mit anderen Worten wird die jeweilige Windung aus beispielsweise einer Kupferschicht herausgeätzt, -gefräst oder -gestanzt. Hierbei sind zweckmäßigerweise mit der die jeweilige Windung bildenden Leiterbahn weitere elektrische oder elektronische Bauteile kontaktiert, wie z.B. Widerstände, Kondensatoren oder integrierte Schaltungen. Auf diese Weise ist die Erstellung der jeweiligen Spulen vergleichsweise einfach und kostengünstig. Zudem erfolgt die Erstellung der jeweiligen Spule insbesondere in einem Arbeitsschritt mit der Erstellung von weiteren Leiterbahnen der jeweiligen Lage, sodass die Zeit für die Erstellung des Transformators verkürzt ist. Conveniently, the winding of the primary coil and / or the secondary coil is formed by means of a conductor track of the respective layer. In other words, the respective turn is etched out of, for example, a copper layer, -milled or -punched. Here are expediently contacted with the respective turn forming conductor track further electrical or electronic components, such. Resistors, capacitors or integrated circuits. In this way, the creation of the respective coils is comparatively simple and inexpensive. In addition, the creation of the respective coil takes place, in particular in one work step, with the creation of further printed conductors of the respective layer, so that the time for the creation of the transformer is shortened.

Beispielsweise umfasst die Leiterbahn eine dritte Lage, die ebenfalls eine Windung der Sekundärspule aufweist. Mit anderen Worten umfasst die Sekundärspule zumindest zwei Windungen, wobei eine der Windungen Bestandteil der zweiten Lage und die weitere Windung Bestandteil der dritten Lage ist. Zwischen der zweiten und dritten Lage ist die erste Lage angeordnet. Mit anderen Worten ist die erste Lage von der zweiten und der dritten Lage umgeben, wobei die Lagen insbesondere direkt an der ersten Lage anliegen. Die beiden Windungen der Sekundärspule sind miteinander elektrisch kontaktiert. Auf diese Weise ist die Induktivität der Sekundärspule erhöht, was zu einer erhöhten induzierten elektrischen Spannung führt. Insbesondere ist die Windung der dritten Lage mittels einer Leiterbahn erstellt und vorzugsweise ist das Layout der zweiten Lage im Wesentlichen gleich dem der dritten Lage, was die Herstellungskosten reduziert. Vorzugsweise ist die Windung der zweiten Lage mit der Windung der dritten Lage durch die erste Lage durchkontaktiert. Mit anderen Worten weist die erste Lage eine Aussparung auf, durch die ein Pin oder dergleichen der Sekundärspule zur Verbindung der beiden Windungen geführt ist. Folglich ist die Verbindung zwischen den beiden Windungen der Sekundärspule innerhalb der Leiterplatte angeordnet. By way of example, the conductor track comprises a third layer, which likewise has one winding of the secondary coil. In other words, the secondary coil comprises at least two turns, wherein one of the turns is part of the second layer and the further turn is part of the third layer. Between the second and third position, the first layer is arranged. In other words, the first layer is surrounded by the second and the third layer, wherein the layers lie in particular directly on the first layer. The two coils of the secondary coil are electrically contacted with each other. In this way, the inductance of the secondary coil is increased, which leads to an increased induced electrical voltage. In particular, the winding of the third layer is created by means of a conductor track, and preferably the layout of the second layer is substantially the same as that of the third layer, which reduces the manufacturing costs. Preferably, the winding of the second layer is contacted with the winding of the third layer through the first layer. In other words, the first layer has a recess through which a pin or the like of the secondary coil is guided for connecting the two windings. Consequently, the connection between the two turns of the secondary coil is arranged within the circuit board.

Alternativ oder in Kombination hierzu umfasst die Leiterplatte eine vierte Lage, die auf der der ersten Lage gegenüberliegenden Seite der zweiten Lage positioniert ist, und die insbesondere an der zweiten Lage anliegt. Die vierte Lage weist eine Windung der Primärspule auf, die mit der Windung der ersten Lage elektrisch kontaktiert ist. Beispielsweise ist die zweite Lage durchkontaktiert, so dass die Verbindung der beiden Windungen der Primärspule mittels eines durch die zweite Lage geführten Leiters erfolgt. Infolgedessen ist die Induktivität der Primärspule erhöht. Vorzugsweise umfasst die Leiterplatte eine Anzahl weiterer Lagen, die jeweils eine Windung umfassen, die zweckmäßigerweise mittels einer Leiterbahn erstellt ist. Insbesondere sind die jeweiligen Lagen aufeinander gestapelt, wobei sich Lagen mit einer der Windungen der Primärspule und Lagen mit einer der Windungen der Sekundärspule abwechseln. Insbesondere erfolgt die elektrische Verbindung der jeweiligen Windungen mittels Durchkontaktierung der jeweils dazwischen liegenden Lage. Zweckmäßigerweise sind die jeweiligen Windungen parallel zur Ebene der Leiterplatte. Alternatively or in combination thereto, the printed circuit board comprises a fourth layer, which is positioned on the side of the second layer opposite the first layer, and in particular rests against the second layer. The fourth layer has a turn of the primary coil, which is electrically contacted with the winding of the first layer. For example, the second layer is plated through, so that the connection of the two turns of the primary coil takes place by means of a guided through the second layer conductor. As a result, the inductance of the primary coil is increased. Preferably, the circuit board comprises a number of other layers, each comprising a turn, which is conveniently created by means of a conductor track. In particular, the respective layers are stacked on top of each other with layers alternating with one of the turns of the primary coil and layers with one of the turns of the secondary coil. In particular, the electrical connection of the respective turns takes place by means of through-contacting of the respectively intermediate layer. Conveniently, the respective turns are parallel to the plane of the circuit board.

In einer Alternative hierzu wechseln sich die die einzelnen Windungen der Spulen aufweisenden Lagen nicht oder nur teilweise ab. So sind beispielsweise die zweite Lage zwischen der ersten Lage und der dritten Lage und/oder die erste Lage zwischen der vierten Lage und der zweiten Lage angeordnet, sofern diese vorhanden sind. Folglich sind zumindest zwei die Windungen der gleichen Spule aufweisenden Lagen zueinander direkt benachbart. In diesem Fall ist bei geeigneter Wahl der Materialien der einzelnen Lagen auch ein ausreichender Spannungsschutz, und insbesondere Abstand, zwischen der Primär- und Sekundärspule realisiert. Beispielsweise ist die erste Lage direkt benachbart zur vierten Lage, wobei diese beiden lagen zwischen der zweiten und dritten Lage angeordnet sind, sofern die Leiterplatte zumindest vier Lagen aufweist. In an alternative to this, the individual turns of the coils having layers do not alternate or only partially. So are For example, the second layer between the first layer and the third layer and / or the first layer between the fourth layer and the second layer arranged, if they are present. Consequently, at least two of the turns of the same coil having layers directly adjacent to each other. In this case, with a suitable choice of the materials of the individual layers and a sufficient voltage protection, and in particular distance between the primary and secondary coil realized. For example, the first layer is directly adjacent to the fourth layer, wherein these two layers are arranged between the second and third layers, provided that the printed circuit board has at least four layers.

Vorzugsweise ist die Oberfläche der Leiterplatte mittels einer fünften Lage gebildet, die frei von der Primärspule und frei von der Sekundärspule ist. Insbesondere weist die Leiterplatte zwei derartige fünfte Lagen auf, die die beiden Oberflächen der Leiterplatte bilden, also die zweckmäßigerweise parallel zur ersten und zweiten Lage sowie etwaigen weiteren Lagen angeordnet sind. Insbesondere ist zumindest eine der fünften Lagen in direktem mechanischem Kontakt mit einer Lage, die eine Windung entweder der Primär- oder der Sekundärspule aufweist, beispielsweise mit der ersten oder der zweiten Lage. Infolgedessen sind die Primär- und Sekundärspule im Wesentlichen im Inneren der Leiterplatte positioniert, so dass eine Robustheit des Transformators aufgrund eines Schutzes vor mechanischen Beschädigungen der beiden Spulen erhöht ist. Preferably, the surface of the printed circuit board is formed by means of a fifth layer which is free of the primary coil and free of the secondary coil. In particular, the printed circuit board has two such fifth layers, which form the two surfaces of the printed circuit board, that is, which are expediently arranged parallel to the first and second layers and any further layers. In particular, at least one of the fifth layers is in direct mechanical contact with a layer having one turn of either the primary or secondary coil, for example the first or second layer. As a result, the primary and secondary coils are substantially positioned inside the circuit board, so that robustness of the transformer is increased due to protection against mechanical damage of the two coils.

Beispielsweise ist die fünfte Lage magnetisch isolierend ausgestaltet, sodass eine Beeinflussung des mittels der Primärspule erstellten Magnetfelds sowie des mittels der Sekundärspule erstellten induzierten elektrischen Stroms im Wesentlichen ausgeschlossen ist. Auch ist was den Wirkungsquerschnitt des Transformators erhöht. Beispielsweise weist die fünfte Lage eine elektrisch leitende Schicht auf, die auf einem bestimmten Potential, beispielsweise Masse liegt. Alternativ erfolgt die Isolierung mittels einer geeigneten Materialwahl der fünften Lage oder eines Bestandteils hiervon. Alternativ oder in Kombination hierzu weist die fünfte Lage eine Schaltung auf, mittels derer zweckmäßigerweise eine Bestromung der Primärspule oder ein Abgreifen des mittels der Sekundärspule induzierten elektrischen Stroms erfolgt. Auf diese Weise ist der Transformator vergleichsweise kompakt, und es wird keine weitere Leiterplatte sowie eine Montage derselben bezüglich der die Primär- und Sekundärspule aufweisenden Leiterplatte benötigt. For example, the fifth layer is configured magnetically insulating, so that influencing the magnetic field generated by means of the primary coil as well as the induced electric current generated by means of the secondary coil is essentially excluded. Also, what increases the cross section of the transformer. For example, the fifth layer has an electrically conductive layer which is at a certain potential, for example ground. Alternatively, the insulation is done by means of a suitable choice of material of the fifth layer or a component thereof. Alternatively or in combination with this, the fifth layer has a circuit by means of which it is expedient to energize the primary coil or to pick it up by means of the electrical current induced by means of the secondary coil. In this way, the transformer is relatively compact, and there is no further circuit board and a mounting thereof with respect to the primary and secondary coil having printed circuit board needed.

Zweckmäßigerweise weist der Transformator keinen Kern auf, ist also kernlos. Mit anderen Worten ist weder innerhalb der Primär- noch Sekundärspule ein Kern aus einem ferromagnetischen Material angeordnet, mittels dessen die beiden Spulen gekoppelt sind. Auf diese Weise ist die Induktion der jeweiligen Spule lediglich von der gewählten Geometrie der jeweiligen Windung abhängig. Infolgedessen ist die Entstehung von Sättigungsproblemen verhindert, wobei der Wirkungsquerschnitt des Transformators zwar verringert ist. Insbesondere bei einer Verwendung zum Ansteuern eines Halbleiterschalters, also bei einer Verwendung als Bestandteil eines Leistungsschalters, ist jedoch lediglich ein vergleichsweise geringer Leistungsübertrag erforderlich, so dass die Verringerung des Wirkungsquerschnitts im Wesentlichen zu keiner signifikanten Verringerung des Wirkungsquerschnitts des Leistungsschalters führt. Aufgrund der Abwesenheit des Kerns ist zudem keine galvanische Trennung der jeweiligen Windungen zu dem Kern erforderlich, was zu einer weiter erhöhten Isolationsspannungsfestigkeit führt. Conveniently, the transformer has no core, so it is coreless. In other words, neither within the primary nor secondary coil is a core made of a ferromagnetic material, by means of which the two coils are coupled. In this way, the induction of the respective coil depends only on the selected geometry of the respective turn. As a result, the generation of saturation problems is prevented, although the cross section of the transformer is reduced. In particular, when used for driving a semiconductor switch, so when used as part of a circuit breaker, however, only a comparatively low power transfer is required, so that the reduction of the cross section leads to substantially no significant reduction in the cross section of the circuit breaker. In addition, due to the absence of the core, no galvanic separation of the respective turns to the core is required, which leads to a further increased insulation voltage strength.

Die Primärspule des Transformators wird zweckmäßigerweise mit einem Wechselstrom beaufschlagt, so dass ein zeitlich variierendes Magnetfeld mittels der Primärspule erschaffen wird. Das Magnetfeld durchdringt die Windung der Sekundärspule, innerhalb derer aufgrund der zeitlichen Veränderung des Magnetfelds ein elektrischer Strom induziert wird, wobei die Primärspule galvanisch von der Sekundärspule getrennt ist. Vorzugsweise wird die Frequenz einer Eigenschwingung der Primärspule bestimmt, was zweckmäßigerweise mittels Heranziehung des elektrischen Widerstandes der Primärspulen und deren Induktivität erfolgt. Insbesondere wird als Frequenz des Wechselstroms, mittels dessen die Primärspule beaufschlagt wird, die Frequenz der Eigenschwingung der Primärspule herangezogen. Mit anderen Worten wird die Primärspule in Resonanz betrieben. Folglich ist die Eigendämpfung der Primärspule auf den Wechselstrom vergleichsweise gering. Infolgedessen ist das mittels der Primärspule erstellte Magnetfeld vergleichsweise stark ausgeprägt, was zu einem erhöhten elektrischen Stromfluss innerhalb der Sekundärspule führt. Alternativ oder in Kombination hierzu wird als Frequenz die Frequenz einer Eigenschwingung der Sekundärspule herangezogen. Auf diese Weise ist der Betrag der induzierten elektrischen Spannung erhöht, sodass lediglich eine vergleichsweise geringe Anzahl an Windungen der Sekundärspule zur Erzeugung einer bestimmten induzierten elektrischen Spannung verwendet werden müssen. Sofern die Windungen auf unterschiedliche Lagen der Leiterplatte verteilt sind, ist folglich eine vergleichsweise dünne Leiterplatte zur Erzielung einer bestimmten induzierten elektrischen Spannung erforderlich. The primary coil of the transformer is expediently acted upon by an alternating current, so that a temporally varying magnetic field is created by means of the primary coil. The magnetic field penetrates the winding of the secondary coil, within which an electric current is induced due to the temporal change of the magnetic field, wherein the primary coil is galvanically isolated from the secondary coil. Preferably, the frequency of a natural oscillation of the primary coil is determined, which is advantageously carried out by means of attraction of the electrical resistance of the primary coils and their inductance. In particular, the frequency of the alternating current, by means of which the primary coil is acted upon, is the frequency of the natural oscillation of the primary coil. In other words, the primary coil is operated in resonance. Consequently, the internal damping of the primary coil to the alternating current is comparatively low. As a result, the magnetic field generated by the primary coil is relatively strong, resulting in increased electric current flow within the secondary coil. Alternatively or in combination with this, the frequency of a natural oscillation of the secondary coil is used as the frequency. In this way, the amount of the induced electrical voltage is increased, so that only a comparatively small number of turns of the secondary coil must be used to generate a specific induced electrical voltage. If the windings are distributed to different layers of the printed circuit board, therefore, a comparatively thin circuit board to achieve a certain induced electrical voltage is required.

Beispielsweise weist der Wechselstrom, mittels dessen die Primärspule beaufschlagt wird, lediglich eine einzige Richtung auf. Beispielsweise ist hierfür eine Diode in Reihe mit der Primärspule geschalten. Vorzugsweise weist hierbei der Transformator keinen Kern auf, ist also kernlos. Folglich ist es nicht erforderlich, etwaige Sättigungen mittels Umpolung der Primärspule zu verringern, so dass auch bei Heranziehung lediglich eines in eine einzige Richtung fließenden Wechselstroms die Funktion des Transformators gegeben ist, wobei die Ansteuerung jedoch vergleichsweise kostengünstig aufgebaut werden kann. Beispielsweise wird als Wechselstrom ein sägezahnförmiger oder gepulster elektrischer Strom herangezogen. For example, the alternating current, by means of which the primary coil is acted upon, only a single direction. For example, a diode is connected in series with the primary coil for this purpose. Preferably, in this case, the transformer has no core, so it is coreless. Therefore it is not required to reduce any saturation by reversing the polarity of the primary coil, so that even when using only one flowing in a single direction alternating current, the function of the transformer is given, but the control can be constructed relatively inexpensive. For example, a sawtooth-shaped or pulsed electric current is used as alternating current.

Der Leistungsschalter ist vorzugsweise Bestandteil einer Industrieanlage mit einer speicherprogrammierbaren Schaltung. Zumindest jedoch ist der Leistungsschalter mittels einer speicherprogrammierbaren Schaltung angesteuert. Der Leistungsschalter umfasst einen Halbleiterschalter, insbesondere einen Transistor. Vorzugsweise wird als Halbleiterschalter ein MOSFET herangezogen. Der Leistungsschalter umfasst ferner einen Transformator mit einer Leiterplatte, die eine erste Lage mit einer Windung einer Primärspule und eine zweite Lage mit einer Windung einer Sekundärspule aufweist. Insbesondere ist der Halbleiterschalter mittels des Transformators angesteuert, und geeigneterweise wird eine Gate-Spannung des Halbleiterschalters mittels des Transformators eingestellt. Insbesondere weist die Leiterplatte eine Treiberschaltung auf, mittels derer die Gate-Spannung des Halbleiterschalters eingestellt wird. Vorzugsweise ist die Treiberschaltung an einer Oberfläche der Leiterplatte positioniert und mittels an der Leiterplatte angebundenen elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen realisiert. Vorzugsweise sind die Bauteile mit Leiterbahnen der Leiterplatte elektrisch kontaktiert, von denen vorzugsweise zumindest eine mit einer der Spulen der ersten und/oder zweiten Lage elektrisch kontaktiert ist. Insbesondere wird eine speicherprogrammierbare Schaltung zur Ansteuerung des Leistungsschalters, insbesondere der Treiberschaltung des Leistungsschalters verwendet. The circuit breaker is preferably part of an industrial plant with a programmable logic circuit. At least, however, the power switch is controlled by means of a programmable logic circuit. The power switch comprises a semiconductor switch, in particular a transistor. Preferably, a MOSFET is used as the semiconductor switch. The circuit breaker further includes a transformer having a circuit board having a first layer with one turn of a primary coil and a second layer with a turn of a secondary coil. In particular, the semiconductor switch is driven by means of the transformer, and suitably a gate voltage of the semiconductor switch is adjusted by means of the transformer. In particular, the circuit board has a driver circuit, by means of which the gate voltage of the semiconductor switch is adjusted. Preferably, the driver circuit is positioned on a surface of the circuit board and realized by means of connected to the circuit board electrical and / or electronic components. Preferably, the components are electrically contacted with conductor tracks of the printed circuit board, of which preferably at least one is electrically contacted with one of the coils of the first and / or second layer. In particular, a programmable logic circuit for driving the power switch, in particular the driver circuit of the circuit breaker is used.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Show:

1 in einer seitlichen Schnittdarstellung vereinfacht einen Leistungsschalter mit einem Halbleiterschalter und mit einem Transformator, 1 in a side sectional view simplifies a circuit breaker with a semiconductor switch and with a transformer,

2 die funktionalen Elemente des Leistungsschalters, und 2 the functional elements of the circuit breaker, and

3 ein Verfahren zum Betrieb des Transformators. 3 a method of operating the transformer.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

In 1 ist in einer seitlichen Schnittdarstellung schematisch vereinfacht ein Leistungsschalter 2 dargestellt, der mittels einer Datenleitung 4 von einer speicherprogrammierbaren Schaltung (SPS) 6 mit Steuerbefehlen beaufschlagt ist. Der Leistungsschalter umfasst einen Halbleiterschalter 8 in Form eines MOFETs und einen kernlosen Transformator 10, mittels dessen die speicherprogrammierbare Schaltung 6 galvanisch von dem Halbleiterschalter 8 getrennt ist. Der Transformator 10 weist eine Sekundärspule 12 auf, die mittels einer ersten Steuerleitung 14 mit dem Halbleiterschalters 8 elektrisch kontaktiert ist. Hierbei wird mittels der ersten Steuerleitung 14 ein Gate-Eingang 16 des Halbleiterschalters 8 mit elektrischer Spannung beaufschlagt. Der Transformator 10 umfasst ferner eine Primärspule 18, die mittels einer zweiten Steuerleitung 20 mit einer Treiberschaltung 22 elektrisch kontaktiert ist. Die Treiberschaltung 22 wiederum ist signaltechnisch mit der Datenleitung 4 gekoppelt. In 1 is schematically simplified in a side sectional view of a circuit breaker 2 represented by means of a data line 4 from a programmable logic controller (PLC) 6 is charged with control commands. The circuit breaker comprises a semiconductor switch 8th in the form of a MOFETs and a coreless transformer 10 , by means of which the programmable logic circuit 6 galvanically from the semiconductor switch 8th is disconnected. The transformer 10 has a secondary coil 12 on, by means of a first control line 14 with the semiconductor switch 8th electrically contacted. In this case, by means of the first control line 14 a gate entrance 16 of the semiconductor switch 8th subjected to electrical voltage. The transformer 10 further comprises a primary coil 18 , which by means of a second control line 20 with a driver circuit 22 electrically contacted. The driver circuit 22 again, it is signal-wise with the data line 4 coupled.

Der Transformator 10 weist eine Leiterplatte 24 auf, die eine erste Lage 26, eine zweite Lage 28, eine dritte Lage 30, eine vierte Lage 32, zwei fünfte Lagen 34 sowie eine sechste Lage 36 aufweist, die übereinander gestapelt sind. Die Leiterplatte 24 ist folglich siebenlagig ausgestaltet, wobei jede der Lagen 26, 28, 30, 32, 34, 36 ein elektrisch isolierendes Trägermaterial 38 und einer hierauf aufgebrachten Leiterbahnen 40 umfasst. Das Trägermaterial 38 besteht aus mittels Glasfasergewebe verstärktem Epoxidharz und weist eine Dicke von 3 mm auf. Die Leiterbahnen 40 sämtlicher Lagen mit Ausnahme der fünften Lagen 34 befinden sich jeweils zwischen zwei Trägermaterialien 38. Mit anderen Worten ist zwischen den Leiterbahnen 40 benachbarter Lagen 26, 28, 30, 32, 36 jeweils ein Trägermaterial 38 einer dieser Lagen angeordnet. Die fünften Lagen 34 bilden die beiden Oberflächen 42 der Leiterplatte 24 und sind magnetisch isolierend ausgestaltet. Eine der fünften Lagen 34 weist die Treiberschaltung 22 auf, die mittels einer Anzahl von elektrischen Bauteilen 44, wie Kondensatoren oder Widerständen, gebildet ist, die mittels einer der Leiterbahnen 40 eben dieser der fünften Lage 34 elektrisch kontaktier sind. The transformer 10 has a circuit board 24 on, which is a first location 26 , a second location 28 , a third location 30 , a fourth location 32 , two fifth layers 34 as well as a sixth location 36 has, which are stacked on top of each other. The circuit board 24 is therefore designed seven layers, each of the layers 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 an electrically insulating carrier material 38 and a printed thereon traces 40 includes. The carrier material 38 consists of glass fiber reinforced epoxy resin and has a thickness of 3 mm. The tracks 40 all layers except fifth layers 34 are each between two substrates 38 , In other words, between the tracks 40 adjacent layers 26 . 28 . 30 . 32 . 36 each a carrier material 38 one of these layers arranged. The fifth layers 34 form the two surfaces 42 the circuit board 24 and are designed magnetically insulating. One of the fifth layers 34 indicates the driver circuit 22 on, by means of a number of electrical components 44 , such as capacitors or resistors, formed by means of one of the conductor tracks 40 just this of the fifth position 34 are electrically kontaktier.

Zwischen den beiden fünften Lagen 34 sind die weiteren Lagen in der Reihenfolge dritte Lage 30, erste Lage 26, zweite Lage 28, vierte Lage 32 und sechste Lage 36 aufeinander gestapelt, wobei sämtliche Lagen 26, 28, 30, 32, 34, 36 an der jeweils benachbarten Lage direkt anliegen, was die Stabilität der Leiterplatte 24 erhöht. Die Lagen 26, 28, 30, 32, 34, 36 sind bündig aufeinander gestapelt, so dass der Randbereich der Leiterplatte 24 im Gegensatz zu dem ausschnittsweise dargestellten Abschnitt der Leiterplatte 24 plan ist. Between the two fifth layers 34 the other layers are in the third position 30 , first location 26 , second location 28 fourth location 32 and sixth location 36 stacked on top of each other, with all layers 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 directly adjacent to the adjacent layer, which is the stability of the circuit board 24 elevated. The layers 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 are stacked flush on top of each other so that the edge area of the circuit board 24 in contrast to the section of the printed circuit board 24 plan is.

Die dritte Lage 30, die zweite Lage 28 und die sechste Lage 36 weisen jeweils eine Windung 46 der Sekundärspule 12 auf, die jeweils mittels einer der Leiterbahnen 40 der jeweiligen Lage 30, 28, 36 erstellt sind. Die Windungen 46 sind mittels einer ersten Durchkontaktierung (VIA) 48 miteinander elektrisch leitend verbunden, die folglich durch die erste Lage 26 und die vierte Lage 32 ragt. Die Windung 46 der sechsten Lage 36 ist elektrisch leitend mit der ersten Steuerleitung 14 verbunden, die teilweise mittels einer Durchkontaktierung durch die hierzu benachbarte fünfte Lage 34 gebildet ist. Die Sekundärspule 12 weist folglich drei Windungen 46 auf, die im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche 42 der Leiterplatte 24 sind. The third location 30 , the second location 28 and the sixth position 36 each have a turn 46 the secondary coil 12 on, each by means of one of the tracks 40 the respective situation 30 . 28 . 36 are created. The turns 46 are by means of a first via (VIA) 48 electrically connected to each other, thus by the first layer 26 and the fourth location 32 protrudes. The turn 46 the sixth location 36 is electrically conductive with the first control line 14 connected in part by means of a via through the adjacent thereto fifth layer 34 is formed. The secondary coil 12 thus has three turns 46 on, which is essentially parallel to the surface 42 the circuit board 24 are.

Die erste Lage 26 und die vierte Lage 32 weisen jeweils eine mittels der Leiterbahnen 40 gebildeten Windung 50 der Primärspule 18 auf, die mittels einer zweiten Durchkontaktierung 52 elektrisch leitend verbunden sind, die durch die zweite Lage 28 geführt ist. Die Primärspule 18 weist folglich zwei Windungen 50 auf, wobei die Windung 50 der ersten Lage 26 mit der Steuerleitung 20 elektrisch kontaktiert ist, die durch die zweite Lage 24 geführt ist. Die Windungen 50 der Primärspule 18 sind hierbei ebenfalls im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 42 der Leiterplatte 24. Die Primärspule 18 und die Sekundärspule 12 sind jeweils mittels der fünften Lagen 34 von der Umgebung sowohl magnetisch als auch elektrisch abgeschirmt, wobei etwaige mittels der Primärspule 18 erzeugte Magnetfelder im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche 42 der Leiterplatte 24 innerhalb der jeweiligen Windungen 50 verlaufen. The first location 26 and the fourth location 32 each have one by means of the conductor tracks 40 formed turn 50 the primary coil 18 on, by means of a second via 52 electrically connected by the second layer 28 is guided. The primary coil 18 thus has two turns 50 on, with the winding 50 the first location 26 with the control line 20 electrically contacted by the second layer 24 is guided. The turns 50 the primary coil 18 are also essentially parallel to the surface 42 the circuit board 24 , The primary coil 18 and the secondary coil 12 are each by means of the fifth layers 34 both magnetically and electrically shielded from the environment, any by means of the primary coil 18 generated magnetic fields substantially perpendicular to the surface 42 the circuit board 24 within the respective turns 50 run.

In 2 ist eine Signalkette 54 des Leistungsschalters 2 und der speicherprogrammierbaren Schaltung 6 dargestellt. Mittels der speicherprogrammierbaren Schaltung 6 wird ein Ansteuersignal 56 erstellt, mit welchem der Transformator 10 beaufschlagt wird. Infolgedessen wird mittels der Treiberschaltung 22 ein Wechselstrom I mit einer Frequenz f erstellt und die Primärspule 18 mit eben diesem Wechselstrom I beaufschlagt. Infolgedessen wird innerhalb der Sekundärspule 12 ein Wechselstrom induziert, der mittels der ersten Steuerleitung 14 dem Halbleiterschalter 18 an dessen Gate-Eingang 16 zugeführt wird. In einer Ausführungsform ist hierbei in die erste Steuerleitung 14 eine Diode 58 eingebracht, so dass der Halbleiterschalter 8 lediglich mit in eine Richtung fließendem Wechselstrom beaufschlagt wird. In 2 is a signal chain 54 of the circuit breaker 2 and the programmable logic circuit 6 shown. By means of the programmable logic circuit 6 becomes a drive signal 56 created with which the transformer 10 is charged. As a result, by means of the driver circuit 22 an alternating current I created with a frequency f and the primary coil 18 with just this alternating current I applied. As a result, inside the secondary coil 12 an alternating current induced by means of the first control line 14 the semiconductor switch 18 at the gate entrance 16 is supplied. In one embodiment, this is in the first control line 14 a diode 58 introduced so that the semiconductor switch 8th is acted upon only in one direction flowing alternating current.

In 3 ist ein Verfahren 60 zum Betrieb des Transformators 10 dargestellt. In einem ersten Arbeitsschritt 62 wird eine Eigenfrequenz des Transformators 10, also eine Eigenfrequenz dessen Primär- und Sekundärspule 18, 12 bestimmt. Der erste Schritt 62 wird vorzugsweise lediglich einmal bei Erstellung des Transformators 10 ausgeführt. In einem zweiten Arbeitsschritt 64 wird die Primärspule 18 mit dem die Frequenz f aufweisende Wechselstrom I beaufschlagt, sofern das Ansteuersignal 56 vorhanden ist. Hierbei wird als Frequenz f des Wechselstroms I die Eigenfrequenz des Transformators 10 herangezogen, die im ersten Arbeitsschritte 62 bestimmt wurde. Zudem wird lediglich Wechselstrom I in eine Richtung herangezogen, also beispielsweise mittels Strompulsen erstellt. Infolgedessen weist der in der Sekundärspule 12 induzierte Strom ebenfalls lediglich eine einzige Richtung auf, weshalb die Diode 58 entfallen kann. In 3 is a procedure 60 for operation of the transformer 10 shown. In a first step 62 becomes a natural frequency of the transformer 10 , ie a natural frequency of its primary and secondary coil 18 . 12 certainly. The first step 62 is preferably only once when creating the transformer 10 executed. In a second step 64 becomes the primary coil 18 with the frequency f having alternating current I applied, if the drive signal 56 is available. Here, the frequency f of the alternating current I is the natural frequency of the transformer 10 used in the first steps 62 was determined. In addition, only alternating current I is used in one direction, that is, for example, created by means of current pulses. As a result, in the secondary coil 12 induced current also only a single direction, which is why the diode 58 can be omitted.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. The invention is not limited to the embodiment described above. Rather, other variants of the invention can be derived therefrom by the person skilled in the art without departing from the subject matter of the invention. In particular, all the individual features described in connection with the exemplary embodiment can also be combined with each other in other ways, without departing from the subject matter of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

DIN EN 61010 [0004]

Claims

Transformer ( 10 ), in particular a circuit breaker ( 2 ), with a printed circuit board ( 24 ), which is a first location ( 26 ) with one turn ( 50 ) a primary coil ( 18 ) and a second layer ( 28 ) with one turn ( 46 ) of a secondary coil ( 12 ) having.

Transformer ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the winding ( 50 . 46 ) of the primary coil ( 18 ) and / or the secondary coil ( 12 ) by means of a conductor track ( 40 ) is formed.

Transformer ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the printed circuit board ( 24 ) a third layer ( 30 ), wherein the first layer ( 26 ) between the second layer ( 28 ) and the third layer ( 30 ), and wherein the third layer ( 30 ) a turn ( 46 ) of the secondary coil ( 12 ), which with the winding ( 46 ) of the second layer ( 28 ) is electrically contacted, in particular plated through.

Transformer ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the printed circuit board ( 24 ) a fourth layer ( 32 ), wherein the second layer ( 28 ) between the first position ( 26 ) and the fourth layer ( 32 ), and wherein the fourth layer ( 32 ) a turn ( 50 ) of the primary coil ( 18 ), which with the winding ( 50 ) of the first layer ( 26 ) is electrically contacted, in particular plated through.

Transformer ( 10 ) According to one of claims 1 to 4, characterized in that a surface ( 42 ) of the printed circuit board ( 24 ) by means of a fifth layer ( 34 ), which is free of the primary coil ( 18 ) and free from the secondary coil ( 12 ).

Transformer ( 10 ) according to claim 5, characterized in that the fifth layer ( 34 ) a circuit ( 22 ) and / or is configured magnetically insulating.

Coreless transformer ( 10 ) according to one of claims 1 to 6.

Procedure ( 60 ) for operating a transformer ( 10 ) according to one of claims 1 to 7, in which the primary coil ( 18 ) is applied to an alternating current (I), - being used as the frequency of the alternating current (I), the frequency (f) of a natural oscillation of the primary and / or secondary coil ( 18 . 12 ), and / or - wherein the alternating current (I) has only a single direction.

Circuit breaker ( 2 ), in particular an industrial plant with a programmable logic circuit ( 6 ), with a semiconductor switch ( 8th ) and with a transformer ( 10 ) according to one of claims 1 to 7, in particular according to a method ( 60 ) is operated according to claim 8.

Circuit breaker ( 2 ) according to claim 9, characterized in that the printed circuit board ( 24 ) a driver circuit ( 22 ) having.